evolution biologique : de la molécule à...

contexte origines du polymorphisme les forces évolutives la spéciation références

Evolution biologique : de la molécule à l'espèceM1 : MABBS

UE : Evolution Moléculaire

Maxime Bonhomme

UMR CNRS-UPS 5546, Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales, Toulouse

27 juillet 2011


Evolution biologique : de la molécule à l'espèce

1 contexte

2 origines du polymorphismemutationrecombinaison et duplication

3 les forces évolutivesdérive génétiquesélection naturelle

4 la spéciationdé�nitionla spéciation allopatriquela spéciation sympatrique

5 références


Evolution biologique

la théorie de l'évolution est une explication scienti�que de la diversi�cation desformes de vie qui apparaissent dans la nature

- l'évolution biologique désigne la transformation des espèces vivantes qui se manifestepar des changements de leurs caractères génétiques au cours des générations

- les changements successifs peuvent aboutir à la formation de nouvelles espèces :spéciation

- cette diversi�cation depuis les premières formes de vie est à l'origine de labiodiversité actuelle

- l'histoire des espèces peut se représenter sous la forme d'un arbre phylogénétique

Charles Darwin : "On the origin of species" (1859)

Charles Darwin (1809-1882) Alfred Russel Wallace (1823-1913)


Evolution moléculaire : pierre angulaire de l'évolution biologique

ADN = support de l'information génétique

hérédité = transfert de l'information à la descendance : un des prérequis pour lasélection naturelle (et l'évolution en général)

évolution moléculaire = approche multidisciplinaire récente (1960...) qui vise àcomprendre l'évolution de l'ADN et des génomes, de l'ARN et des protéines(structure et fonction)

elle rassemble plusieurs disciplines : biologie moléculaire, biologie évolutive etgénétique des populations

exemples de thématiques :- évolution des fonctions enzymatiques, des gènes de l'immunité- reconstruction phylogénétique- concept d"horloge moléculaire" pour étudier la divergence des espèces- origine et fonction de l'ADN non codant


Evolution moléculaire : pierre angulaire de l'évolution biologique

quelle information peut-on extraire des séquences d'ADN?

avancées récentes en évolution moléculaire dues aux progrès technologiques :- rôle des duplications de gènes dans l'émergence de nouvelles fonctions- poids de l'évolution moléculaire adaptative vs neutre- changements moléculaires responsables de certains phénotypes (maladies,épidémiologie, cognition)

quelques noms :- Motoo Kimura : théorie neutre- Masatoshi Nei : évolution adaptative- Walter M. Fitch : reconstruction phylogénétique- Walter Gilbert : RNA world- Joe Felsenstein : méthodes phylogénétiques- Susumu Ohno : duplication des gènes- John H. Gillespie : mathématiques de l'adaptation- Dan Graur, Wen-Hsiung Li : modèles neutres de l'évolution moléculaire


mutation

Mutation de l'ADN

Types de mutations

changement héréditaire dans le matériel génétique.

source fondamentale de variation génétique.- mutations géniques : changement dans la séquence nucléotidique (mutationponctuelle - substitution, indels, transposons).

- mutations chromosomiques : réarrangements chromosomiques (inversions,translocations).

- mutations génomiques : polyploïdisation

distinguer mutations somatiques (cancers, ...) de germinales (cellules sexuelles,donc transmissibles).

distinguer mutations neutres (sans impact sur le phénotype par rapport auxautres allèles) de favorable/délétère (dépends des conditions du milieu)

Fréquence des substitutions dans l'ADN

événement rare.- 10−8 à 10−9 nouvelles mutations par nucléotide par génération.- 10−4 à 10−6 nouvelles mutations par copie de gène par génération.

innovation génétique.- nombre de mutations par génération = 2Nu, non négligeable si population grande.- nombre important de gènes dans les génomes (ex : 20 000 - 30 000 chez l'homme),donc plusieurs gènes mutés chez un zygote.


mutation

Types de substitutions : ADN et acides aminés

A G

C T

VSCCQSTQYCQP

VSCCPTPQYCQP

acides aminésADN

transition

transversion

P(transition) > P(transversion)


mutation

Types de substitutions : ADN et acides aminés

sur un cadre de lecture, les substitutions peuvent conduire ou non à unchangement d'a.a (substitutions non synonymes, synonymes - troisième positiondu codon)

existence de biais d'usage du codon = utilisation préférentielle d'un des triplets :- hypothèse neutraliste : biais mutationnel, lié au probabilités de transitions ettransversion

- hypothèse sélectionniste : sélection traductionnelle, sélection de certains codons(dits optimaux) parce qu'ils permettraient une plus grande e�cacité de réplicationet de traduction. Chez la drosophile, le nématode et l'arabette, on observe que lescodons optimaux sont très souvent ceux dont les ARNt complémentaires sont lesplus fréquents dans la cellule


mutation

Autres polymorphismes

séquences répétées : exemple des microsatellites

origine du polymorphisme de longueur : "replication slippage" (insertion/délétion)

aucune fonction identi�ée, mais lien avec certaines maladies chez l'homme sidépasse un seuil de longueur (ex : syndrome de l'X fragile)


mutation

Autres polymorphismes

insertion de séquences : transposon et retrotransposons

mouvement de portions d'ADN dans le génome, souvent associé à l'augmentationdu nombre de copies (transposons)

aucune fonction connue : ADN égoïste, exploite la machinerie génétique de lacellule (certains codent pour une enzyme transposase qui ce lie à des ciblesd'insertion dans le génome - copié-inséré ou coupé-inséré)


recombinaison et duplication

Recombinaison

recombinaison homologue

GGAGCTTGATCATC

GGGGCTTGAACATC

GGAGCTTGAACATC

GGGGCTTGATCATC

intergénique intragénique

locus A locus B locus C

allèle A allèle B allèle C

allèle a allèle b allèle c

A B c

a b C



Conversion génique

même mécanisme moléculaire que le crossing over entre chromosomeshomologues (hétéroduplex)

MAIS transfert non réciproque d'information génétique

la ségrégation d'un hétérozygote à la méiose va générer plus d'homozygotes(écart aux proportions mendeliennes)

conversion génique biaisée : un mésappariement est plus souvent réparé en unepaire G-C (un homozygote plutôt qu'un autre)

- conséquence évolutive : enrichissement relatif de la séquence d'ADN en G-C



Duplications de gènes

recombinaison inégale : erreur d'alignement des deux chromatides lors ducrossing-over

A B

A B

A B B

A

A B A B A B A

A B A B A B A

A B A B A B A B A

A B A B A

r

r r

rɣ globine

r r rɣ globine ɣ globine

disposition ancestrale

erreur d’alignement des séquences répétées (r)

duplication du gène de la ɣ globine



Duplications de génomes : polyploïdisation

e�ets biophysiques : augmentation de la taille de la cellule, moins de cellules dansun tissu

e�ets dosages : augmentation du nombre de copies d'un locus (e�ets additifspossibles si codominance)

masquage des allèles délétères : expression relativement plus faible des allèlesdélétères récessifs chez un polyploïde que chez un diploïde

augmentation de la diversité allélique, de l'hétérozygotie

perte ou gain d'ADN, recombinaison homéologue (génomes parentaux n'ont pasla même succession de gènes), réarrangements d'ADN


Que devient une mutation ?

Hypothèses :- seule la mutation modi�e les fréquences d'allèles à un gène donné- locus biallélique (ex : SNP) : allèles A et a- u = taux de mutation de A vers a

pt+1 = (1− u)pt (1)

∆p = pt+1 − pt = −up (2)

pt = (1− u)tp0 (3)

Application numérique : nombre de générations t pour que p diminue de moitié

pt =1

2p0 = (1 − u)tp0 (4)

(1 − u)t =1

2(5)

t =−ln2

ln(1 − u)'−ln2

u'

0.7

u(6)

pour u = 10−6, t = 700000 (10 à 20 Ma chez l'homme !) = rôle négligeable dans l'évolution des fréquencesalléliques d'un gène

le destin d'une mutation tient en d'autres forces évolutives : dérive génétique etsélection


Que devient une mutation ?

Théorie neutraliste de l'évolution moléculaire (Kimura, 1968,1969,1983)

Selon la théorie, la majorité des polymorphismes moléculaires résulte del'évolution par dérive génétique d'allèles mutants sélectivement neutres (ex :ADN non codant majoritaire, 3ème position des codons - mutation synonyme -) :

- fréquence initiale de la mutation = 12N .

- probabilité de �xation = 12N .

- probabilité d'élimination = 1 − 12N , forte probabilité dans les premières générations.

- plus généralement (sous dérive génétique uniquement) : probabilité de �xation =fréquence de l'allèle.

- dans les populations de petites taille, probabilité de �xation plus importante.- temps moyen de �xation d'une mutation : 4N générations.

En pratique :- mutation neutre : le plus souvent éliminée de la population, mais peut aussi sesubstituer à l'allèle sauvage, à cause des e�ets aléatoires de la dérive génétique dansles petites populations

- mutation défavorable : diminue en fréquence (sélection négative)- mutation favorable : augmente en fréquence (sélection positive)- les mutations favorables ou défavorables sont de toute façon sous l'emprise de ladérive génétique


dérive génétique

Dérive génétique : un modèle stochastique d'évolution des gènes

Fluctuation des fréquences alléliques de générations en générations du fait d'unéchantillonnage aléatoire des gamètes dans une population de taille �nie (nontransmission de certains allèles à la descendance, individus ne se reproduisant pas).

génération0

1

2

n

.

.

.

fréquence0.5

0.6

0.8

1

.

.

.

0.5

0.6

génération parentale

pool des gamètes (fréquences alléliques

identiques à celles de la génération parentale)

nouvelle génération (échantillonnage au

hasard de 10 gamètes)

Echantillonnage des gamètes et changement des fréquences alléliques.


dérive génétique

Dérive génétique : simulations

0 10 20 30 40 50

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

generation number

alle

le fr

eque

ncy

Fréquence initiale = 0.5, taille de la population = 100, 20 simulations (rouge = moyenne, bleu = variance).


sélection naturelle

Principes de la sélection naturelle

Charles Darwin (1809-1882) : "l'origine des espèces" (1859)

Principe 1 : Les individus d'une espèce di�èrent les uns des autres pour certainscaractères

Principe 2 : Les individus les plus adaptés au milieu survivent et se reproduisentdavantage

Principe 3 : Les caractéristiques avantageuses doivent être héréditaires



Principes de la sélection naturelle : les mots de Darwin

Les individus di�èrent par leur capacité à survivre et à se reproduire, en partie enraison de leurs di�érences phénotypiques (et en relation avec leurs caractéristiques génotypiques, la

relation entre les deux pouvant être complexe) = variations inter-individuelles

Dans chaque espèce, plus de descendants sont produits que ce qui pourra survivre etse reproduire = contraintes environnementales

A chaque génération, les phénotypes (et donc les génotypes) favorisant la survie etl'accès à la reproduction dans l'environnement actuel sont sur-représentés à l'âge de lareproduction, et contribuent de façon disproportionnée à la descendance de lagénération suivante = hérédité des caractéristiques avantageuses



Sélection naturelle dans une population

ce que l'on observe au niveau du phénotype (caractère)

population initiale

phénotype (taille du bec)

fréq

uenc

e de

s ind

ivid

us

directionnelle diversifiante (ou balancée) stabilisante

initiale

nouvelle




ce que l'on observe au niveau moléculaire : sélection positive

Sélection positive (darwinienne, directionnelle)

ind 1

ind 2

ind 3

….. .

….. .

mutation avantageuse

mutation neutre

ind 10

gènes ayant un rôle dans l'adaptation (ex : résistance aux insecticides chez lemoustique, adaptation à la sécheresse)




ce que l'on observe au niveau moléculaire : sélection puri�ante

Sélection purifiante (stabilisante, background selection)

ind 1

ind 2

ind 3

….. .

….. .

mutation délétère

mutation neutre

ind 10

gènes "domestiques" ("housekeeping genes") : les changements sontcontre-sélectionnés




ce que l'on observe au niveau moléculaire sélection balancée

Sélection balancée (diversifiante)

ind 1

ind 2

ind 3

….. .

….. .

mutations balancées

mutation neutre

ind 10

avantage à l'hétérozygote (overdominance)sélection fréquence dépendante (sélection de l'allèle rare, dynamique de fréquences cyclique)ex : anémie falciforme chez l'homme, gènes de l'immunité (maintien d'un fort polymorphisme)




rôle de la sélection dans le devenir d'une duplication




rôle de la sélection dans le devenir d'une duplication

non functionalisation : pseudogène (dérive neutre)

néofunctionalisation : la duplication garde la fonction ancestrale et le gèneancestral acquiert une nouvelle fonction (sélection positive, divergencefonctionnelle)

subfunctionalisation : les duplications ont une activité conjointe similaire à lafonction ancestrale (sélection puri�ante)



Adaptation

quelques points

la sélection naturelle n'est pas le seul processus qui entraîne l'évolution, mais ilest le seul qui mène à l'adaptation

la sélection "bricole" sur des fonctions préexistantes (transfert de fonction, notiond'exaptation) :

- les ailes des insectes : fonction ancestrale probable de régulation thermique, puistransfert vers le vol en milieu terrestre

l'adaptation n'est pas optimale à tous les niveaux d'organisation : ce qui estoptimal pour l'organisme peut ne pas l'être pour la population

l'adaptation n'est pas une notion �gée : les organismes sont perpétuellement enretard (course à l'adaptation)

- théorie de la reine rouge (course aux armements entre les espèces)- Lewis Carroll (Alice au pays des merveilles) : le personnage principal et la Reine Rouge se lancent

dans une course e�rénée. Alice demande alors : � Mais, Reine Rouge, c'est étrange, nous courons viteet le paysage autour de nous ne change pas ? � Et la reine répondit : � Nous courons pour rester à lamême place.�

systèmes de coévolution : plantes-pollinisateur, symbiosesplantes-microorganismes

les imperfections des êtres vivants sont dues à des contraintes génétiques,embryologiques ou historiques, et à des compromis entre exigences adaptativesdi�érentes (notion de "trade-o�", ex : compromis reproduction/croissance)

notion d'impasse évolutif : les sabots des chevaux = retour en arrière impossiblesauf une macro-mutation



Valeur adaptative et e�cacité de la sélection

la valeur sélective d'un allèle peut varier selon- l'environnement : favorable dans l'un, défavorable dans l'autre- le contexte génomique : épistasie entre di�érent gènes (la présence d'un allèleparticulier à un autre gène peut modi�er le phénotype et donc la valeur sélective del'allèle sous sélection

- le contexte génétique (fréquence dépendance pour la sélection balancée)

l'e�cacité de la sélection dépend de plusieurs paramètres :- l'architecture génétique du caractère phénotypique- la taille et la fragmentation des populations (dérive génétique)- les systèmes de reproduction (l'autofécondation chez les plantes peut accélerer la�xation d'allèles avantageux)


dé�nition

Spéciation : dé�nition

processus évolutif par lequel de nouvelles espèces vivantes apparaissent

la spéciation résulte de la sélection naturelle et/ou de la dérive génétique- les espèces s'individualisent à partir de populations appartenant à une espèced'origine

- évolution de populations interfécondes - composant une même espèce, par dé�nition- en populations non-interfécondes, c'est-à-dire isolées sur le plan reproducteur

- des barrières biologiques reproductives s'installent : incompatibilités phénotypiquespré/post-zygotiques dues à des modi�cations des génomes (mutations géniques,chromosomiques...) progressivement �xées par dérive génétique ou sélection


dé�nition

Spéciation : dé�nition

on distingue deux grands types de spéciation, avec des intermédiaires :- spéciation allopatrique ("géographique")- spéciation sympatrique ("écologique")

résulte de l'interaction entre les modi�cations au niveau moléculaire (génomes,ADN, ARN et protéines) et l'écologie des organismes (contraintesenvironnementales, isolement, sélection sexuelle, compétition pour les ressources)


la spéciation allopatrique

Spéciation allopatrique

la dérive génétique joue un rôle crucial dans la divergence des populations


la spéciation allopatrique

Spéciation allopatrique


la spéciation sympatrique

Spéciation sympatrique

des populations non isolées géographiquement peuvent évoluer en espècesdistinctes

la sélection naturelle joue un rôle crucial dans la divergence des populations

fréquent chez insectes phytophages, très fréquent chez microorganismessymbiotiques et pathogènes

- chez pathogènes de plantes (oomycètes, champignons), la spécialisation à l'hôte(spéciation) résulte d'une perte/acquisition de gènes que la sélection naturellefavorise car permet une meilleure reproduction du microorganisme

- la spéciation sympatrique récurrente résulte de la coévolution "hôte-pathogène"


Relation entre taille du génome et mode de vie chez les bactéries

photosynthétique, fixation d’azote

pathogènes

saprophytiquesaprophytique aquatique

commensales, aquatiques, pathogènes parfois

spécialisation milieux extrêmes (métabolisme spécifiques)


Vitesse de spéciation

l'histoire de l'évolution montre que les spéciations nécessitent généralementplusieurs (centaines de) milliers d'années.

MAIS il y a toujours beaucoup d'exceptions liées :- aux contingences historiques, environnementales (ex : 500 ans pour les souris introduites à Madère)- aux caractéristique biologiques des espèces (ex : les bactéries évoluent plus vite car elles ont un tempsde génération court)

controverse "gradualisme phylétique" vs "théorie des équilibres ponctués" (SJGould,N Eldredge : longues périodes d'équilibre, ponctuées de brèves périodes de spéciations / extinctions)

gradualisme équilibres ponctués


References

Evolution Biologique. Ridley, De Boeck Universié

Principles of Population Genetics, 4th Edition. Hartl DL, Clark AG

Computational Molecular Evolution, Ziheng Yang, Oxford Series in Ecology and

Evolution

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